预紧力水轮机顶盖与座环全三维联合受力强度分析

谭 啸， 朱 毅

(1.国家能源集团大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610041；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

顶盖是水轮机中既有支撑又有过流作用的重要部件，其刚强度及其联接螺栓的可靠性很大程度上决定着水轮发电机组能否安全、稳定地运行[1-3]。水轮机顶盖与座环、导水机构、水导轴承等部件均有直接联接，各部件之间存在力的相互作用，整体受力情况复杂[4]。近年来，随着水电开发技术的进步，国内水轮发电机组最大单机容量已大幅提升，结构尺寸越来越大，同时水电机组深度参与电网调频、调峰，过渡过程特性十分复杂，顶盖与座环联接螺栓和分瓣顶盖联接螺栓受力状态更为多变，在机组甩负荷等特殊状态下，有可能使联接螺栓发生松动、失效甚至断裂而造成严重后果。王明等对大型水轮机顶盖和蜗壳座环的应力与变形进行了联合受力下的有限元分析计算，并与传统单个分析结果进行了比较，计算分析表明，采用顶盖和座环的联合受力分析可更准确地确定顶盖与座环的应力和变形。肖良瑜[5]建立了考虑预紧力的顶盖与座环联合受力计算周期模型，探讨了座环对顶盖应力和变形的影响。贾伟[6]对大型轴流式水轮机顶盖进行了强度及动态特性分析并对顶盖结构进行了优化设计。陈柳[7]等对仙居抽水蓄能电站顶盖座环联接螺栓的受力特性进行了初步分析研究，对顶盖、座环和联接螺栓的整体结构进行了强度计算，根据国内外相关标准和行业设计水平，对仙居顶盖座环联接螺栓的强度选用进行评估，并提出建议。针对顶盖与座环联接体的刚强度分析，现有计算模型更多采用单个部件或周期结构，少有考虑螺栓预紧力的顶盖、座环整体计算模型。

本文以某电站单机容量为45 MW混流式水轮机顶盖、座环及其联接螺栓为研究对象，采用ANSYS有限元分析软件，建立顶盖、座环及其联接螺栓全三维几何模型，并加载与实际工况下联合受力边界条件一致的载荷，进行顶盖及其联接螺栓变形与应力分析计算，计算结果表明该电站水轮机顶盖及其联接螺栓刚度满足相关标注和行业设计要求。

1 水轮机顶盖、座环联接体受力特点

水轮发电机组运行时，顶盖主要承受活动导叶、水导轴承、主轴密封、控制环、接力器等部件的重力[8]；顶盖下腹板的过流面承受转轮上止漏环与上冠顶部之间的随机组运行工况改变而变化的水压载荷；顶盖的上环板和下腹板的活动导叶轴承座上还承受活动导叶的支撑力。同时顶盖与座环通过螺栓联接，顶盖还承受座环形变及螺栓预紧载荷。机组甩负荷状态下顶盖受力情况见图1。

图1 机组甩负荷状态下顶盖受力情况

2 顶盖与座环全三维有限元计算模型

2.1 顶盖与座环及其联接螺栓几何模型及网格

该水电站装有单机容量为45 MW的水力发电机组3台，在上游调压室内分岔后采用单元供水方式，水轮机设计水头54 m，顶盖为焊接结构，由两瓣构成，分瓣件通过48个M48×180的螺栓将其合在一起。顶盖与座环通过56个M42×90的螺栓与座环联接。分别建立顶盖、座环及其联接螺栓的三维几何模型，并进行装配，采用适应性更好的四面体网格对装配体进行网格划分。

装配体共划分网格单元约80万个，节点数约361万个，经网格无关性检查，该套网格满足网格无关性要求，可用于顶盖、座环组合体的三维有限元静力学计算，各部件材料的力学性能见表1。

表1 各部件材料的力学性能

2.2 计算载荷

为校核顶盖及其联接螺栓刚度是否满足机组运行要求，需考虑甩负荷紧急停机情况下的最大水压上升，此部分关键载荷根据该水电站调节保证计算进行确定。调节保证计算结果见表2，确定机组在GK1对应工况(最大水头)，单机发电额定出力，突然甩负荷情况下蜗壳压力达到最高，最大蜗压为0.84 MPa，此时顶盖承受最大蜗壳压力。顶盖、座环及连接螺栓全三维有限元计算以GK1的调保计算结果进行加载。

表2 调节保证计算结果

顶盖各部分载荷计算结果见表3。

表3 顶盖各部分载荷计算结果

联接螺栓预紧力见表4。

表4 联接螺栓预紧力

2.3 载荷施加和边界条件

座环下端面由混凝土支撑，接触部位相对位移很小，故施加固定约束。顶盖、座环及其联接螺栓受到的载荷按表2的计算结果进行施加。

3 顶盖、座环联合体计算结果及分析

3.1 顶盖变形和应力分布

在机组蜗壳压力达到最大时的条件下，顶盖的名义等效应力σequ和名义剪切应力τ以及最大变形，其最不利条件顶盖计算结果见表5。

表5 最不利条件顶盖计算结果

3.2 顶盖、座环联接螺栓应力分布

顶盖与座环通过56个M42×90的螺栓进行联接，考虑到螺栓与座环均为分瓣结构，仅需对一半数量的联接螺栓进行分析，依次对不同位置的顶盖、座环联接螺栓进行编号，并对螺栓截面进行编号区分(图2)。

图2 对螺栓截面进行编号区分

各螺栓按图2所示截面提取应力数据， O点所在位置为+0 mm截面，不同截面处的最大等效应力和平均等效应力变化情况如图3、4所示。

图3 不同截面处的最大等效应力

图4 平均等效应力变化情况

从图3中可以看出，顶盖与座环联接螺栓等效应力高应力区主要集中在螺栓0～40 mm的区域内，40～90 mm的等效应力随距离增加而逐渐减小。在高应力区靠近螺栓头部及5号截面(+36 mm)附近应力值较高，在1号截面(+2 mm)附近达到451.67 MPa， 5号截面达到438.63 MPa，而对应的截面平均应力并不高，图4显示各螺栓高平均应力出现在3号截面(+18 mm)和4号截面(+27 mm)，最大值分别为353.12 MPa，352.65 MPa，不同位置上的螺栓各截面的平均应力偏差较小。

3.3 顶盖、座环分瓣件联接螺栓应力分布

顶盖、座环分瓣件是通过48个M48×180的螺栓把合在一起的，并对每个螺栓不同截面处的应力进行提取，得到顶盖、座环各分瓣件螺栓不同截面位置的最大等效应力和平均应力分布情况见图5、6。

(a)座环

(b)顶盖图5 座环、顶盖各分瓣件螺栓不同截面位置的最大等效应力

从图5可以看出，无论对于顶盖还是座环，各分瓣件联接螺栓的截面最大等效应力和截面平均应力分布情况保持一致，说明分瓣件联接螺栓受力较为均匀。同时注意到顶盖、座环分瓣件联接螺栓截面最大等效应力出现在1号(+2 mm)、2号(+7 mm)和13号(+108 mm)截面附近，截面局部应力偏大，而在这三个截面上的平均应力并不高，可见在截面附近存在应力集中。

3.4 顶盖、座环及其联接螺栓的强度校核

据《ASME标准第Ⅷ卷第二册另一规则》《GB150-2011钢制压力容器》以及该电站《水轮机产品说明书》对在升压工况下许用应力的取值要求，确定了顶盖及其联接螺栓的许用应力，其中顶盖的许用等效应力和剪切应力分别为183 MPa和110 MPa，螺栓许用应力、许用截面平均等效应力、剪切应力分别为640 MPa、384 MPa、110 MPa。从以上计算结果来看，各部件应力均在允许的安全范围内，该机组各部件刚强度在调节保证计算可能出现的升压情况下能够满足要求。

(a)座环

4 结 语

顶盖是水轮机中既有支撑又有过流作用的重要部件，顶盖及其联接螺栓既承受周围各部件的作用力，又承受随运行工况而改变的水压载荷，其刚度对水轮发电机组的安全、稳定运行至关重要。通过建模分析，得出以下结论：

(1)顶盖、座环及其联接螺栓整体有限元计算模型充分考虑了各部件之间的相互作用，与单个部件的有限元计算相比更能反映实际受力状态，计算结果更为准确。

(2)分瓣结构的顶盖、座环在升压工况下，除法兰螺栓联接处，其应力和变形值均较小，对本体结构不会造成破坏。不同位置联接螺栓的应力分布基本保持一致，其应力水平未超限，且有一定的安全余量。

(3)相比传统的联接螺栓刚强度校核计算，采用整体结构有限元计算能对螺栓在各种工况下的受力情况有更为细致地掌握，不仅可为为此类结构关键联接部件的刚度计算分析提供解决方案，同时还可为产品的进一步优化设计提供支持。